Conexión de motores trifásicos a diferentes tensiones, Monografías, Ensayos de Electrotecnia

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INSTITUTO NACIONAL TECNOLOGICO

DIRECCION GENERAL DE FORMACION PROFESIONAL

DEPARTAMENTO DE CURRICULUM

MANUAL PARA EL PARTICIPANTE

MOTORES TRIFÀSICOS

INSTRUCTOR: ROBERTO JOSÉ OVIEDO DÍAZ

ESPECIALIDAD: Electricidad

NOVIEMBRE 2008

INSTITUTO NACIONAL TECNOLÓGICO (INATEC)

DIRECCION GENERAL DE FORMACION PROFESIONAL

DEPARTAMENTO DE CURRÍCULUM

Unidad de Competencia:

• Instalación y Mantenimiento de Motores Eléctricos.

Elementos de Competencias:

• Motores trifásicos de corriente alterna de uso industrial.
• Motores asíncronos trifásicos conectados a la red de alimentación monofásica.

NOVIEMBRE 2008

Instituto Regional de Occidente, contiguo al Hospital José Rubí, El Viejo 1

INTRODUCCION

El manual del participante “Motor trifásico” pretende que los(as) participantes adquieran las destrezas y habilidades necesarias para brindar mantenimiento y conexión a los motores eléctricos trifásicos.

El manual contempla dos unidades modulares, donde sus contenidos se desarrollan en orden lógico desde los elementos más sencillos hasta llegar a los más complejos.

El manual del participante esta basado en sus módulos y normas técnicos respectivas y corresponde a la unidad de competencia “Instalación y Mantenimiento de Motores Eléctricos” de la especialidad de técnico en electricidad.

Se recomienda realizar las actividades y los ejercicios de auto evaluación para alcanzar el dominio de la competencia: Instalación y Mantenimiento de Motores Eléctricos, para lograr los objetivos planteados, es necesario que los(as) y las participantes tengan en cuenta el las normas de seguridad, para prevenir accidentes eléctricos así como brindar los primeros auxilios en caso de accidentes de origen eléctrico.

OBJETIVO GENERAL

§ Realizar el montaje, conexión y puesta en funcionamiento de motores eléctricos trifásicos de AC. De uso industrial.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

§ Explicar correctamente clasificación general de motores trifásicos mediante un cuadro sinóptico.

§ Explicar correctamente principio de funcionamiento y partes principales del motor asíncrono trifásico.

§ Realizar correctamente conexión y puesta en funcionamiento del motor asíncrono trifásico en conexión estrella y en conexión triangulo haciendo uso de loa esquemas de conexión.

§ Realizar correctamente conexión y puesta en funcionamiento de motores trifásicos a la tensión de servicio de 220 y 380v, utilizando esquemas de conexión.

§ Realizar correctamente conexión y puesta en funcionamiento de motores trifásicos a la tensión de servicio de 220 y 440v, utilizando esquemas de conexión.

§ Realizar correctamente conexión y puesta en funcionamiento de motores trifásicos en conexión Dahlander a la velocidad lenta y rápida, utilizando esquemas de conexión.

§ Realizar correctamente conexión y puesta en funcionamiento de motores asíncronos trifásicos de AC. Con rotor bobinado, haciendo uso del respectivo esquema de conexión.

§ Realizar correctamente conexión y puesta en funcionamiento de motores asíncronos trifásicos de AC. Con rotor bobinado.

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RECOMENDACIONES GENERALES

Para iniciar el estudio del manual, debe estar claro que siempre su dedicación y esfuerzo le permitirá adquirir la Unidad de competencia a la cual responde el Módulo Formativo de Motores Trifásicos.

• Al iniciar el estudio de los temas que contiene el manual debe estar claro que su dedicación y esfuerzo le permitirá adquirir la competencia a la cual responde el Módulo formativo.
• Al comenzar un tema debe leer detenidamente los objetivos y recomendaciones generales.
• Trate de comprender las ideas y analícelas detenidamente para comprender objetivamente los ejercicios de auto evaluación.
• Consulte siempre a su docente, cuando necesite alguna aclaración.
• Amplíe sus conocimientos con la bibliografía indicada u otros textos que estén a su alcance.
• A medida que avance en el estudio de los temas, vaya recopilando sus inquietudes o dudas sobre éstos, para solicitar aclaración durante las sesiones de clase.
• Resuelva responsablemente los ejercicios de auto evaluación.

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Una de las características de los motores asíncronos o de inducción es que la velocidad de éstos es inferior a la velocidad de sincronismo, esto es debido a que el flujo creado por el estator es más rápido que el movimiento ejercido por el rotor, por lo que este tendrá un movimiento casi constante. Pueden mencionarse dos tipos principales de motores de inducción que son: el motor trifásico con rotor en jaula de ardilla y el motor trifásico con rotor bobinado con anillos rozantes, allí se deriva toda la gama de motores de CA conocidos. Los parámetros más importantes de cualquier motor trifásico son:

1. Potencia: en Watts o en HP

2. Factor de servicio: es la relación entre la potencia máxima verdadera de la máquina, y su potencia nominal o dicho de otra forma, indica cuanta carga en forma temporal, puede tomar un motor (al operar un motor con una capacidad superior a la de la placa, la temperatura tiende a elevarse tanto como en relación a la potencia)

1.2 Clasificación de los motores trifásicos Podemos clasificarlos de varias maneras, por su velocidad de giro, por el tipo de rotor y por el número de fases de alimentación. Vamos a ello:

§ Por su velocidad de giro.

1. Asíncronos. Un motor se considera asíncrono cuando la velocidad del campo magnético generado por el estator supera a la velocidad de giro del rotor. 2. Síncronos. Un motor se considera síncrono cuando la velocidad del campo magnético del estator es igual a la velocidad de giro del rotor. Donde el rotor es la parte móvil del motor. Dentro de los motores síncronos, nos encontramos con una subclasificación: - Motores síncronos trifásicos.

• Motores asíncronos sincronizados.
• Motores con un rotor de imán permanente.

§ Por el tipo de rotor.

- Motores de anillos rozantes.

• Motores con colector.

Tipos y aplicación de los motores Jaula de ardilla.

§ Por su número de fases de alimentación.

• Motores monofásicos.
• Motores bifásicos.
• Motores trifásicos.
• Motores con arranque auxiliar bobinado.
• Motores con arranque auxiliar bobinado y con condensador.

1.3 Asincrónico Si se realizara a nivel industrial una encuesta de consumo de la energía eléctrica utilizada en alimentar motores, se vería que casi la totalidad del consumo estaría dedicado a los motores asincrónicos.

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Estos motores tienen la peculiaridad de que no precisan de un campo magnético alimentado con corriente continua como en los casos del motor de corriente directa o del motor sincrónico.

Una fuente de corriente alterna (trifásica, bifásica o monofásica) alimenta a un estator. La corriente en las bobinas del estator induce corriente alterna en el circuito eléctrico del rotor (de manera algo similar a un transformador) y el rotor es obligado a girar.

De acuerdo a la forma de construcción del rotor, los motores asincrónicos se clasifican en: § Motor Asincrónico de Rotor Bobinado

§ Motor Asincrónico tipo Jaula de Ardilla

Rotor tipo jaula de ardilla El rotor jaula de ardilla se clasifica en dos tipos, rotor jaula de ardilla simple y rotor jaula de ardilla doble.

El rotor jaula de ardilla simple, Fig1. Es el usado para motores pequeños, en cuyo arranque la intensidad nominal supera de 6 a 8 veces a la intensidad nominal del motor. No soporta los picos de cargas. Esta siendo sustituido por los rotores de jaula de ardilla doble en motores de potencia media. Su par de arranque no supera el 140% del normal. Fig. 1Rotor jaula de ardilla simple

El rotor jaula de ardilla doble, Fig. 2 Este tipo de rotor la ranura es doble, por este motivo tiene el nombre de jaula de ardilla doble. Las dos ranuras estan separadas físicamente, aunque en el dibujo no se observe, posee una intensidad de arranque de 3 a 5 veces la intensidad nominal y su par de arranque puede ser de 230% la normal. Estas características hacen que este tipo de rotor sea muy interesante frente al rotor de jaula de ardilla simple. Es más empleado en la actualidad, soporta bien las sobrecargas sin necesidad de disminuir la velocidad, lo cual le otorga mejor estabilidad Fig. 2 El rotor jaula de ardilla doble

Rotor bobinado y anillos rozantes El rotor de anillos rozantes, Fig. 3. se denomina rotor de anillos rozantes por que cada extremo del bobinado está conectado con un anillo situado en el eje del rotor. Las fases del bobinado salen al exterior por medio de unas escobillas que rozan en los anillos. Conectando unas resistencias externas a las escobillas se consigue aumentar la resistencia retórica, de esta forma, se logra variar el par de arranque, que puede ser, dependiendo de dichas resistencias externas, del 150% y el 250% del par nominal.

La intensidad nominal no supera las 2 veces la intensidad nominal del motor. Fig. 3El rotor de anillos rozantes

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Rotor de excitación independiente...............................................................................

Fig. 5

2. Motor asincrónico de inducción con rotor en jaula de ardilla.

Definición

Finalmente aquí llegamos al motor eléctrico por excelencia. Es el motor relativamente más barato, eficiente, compacto y de fácil construcción y mantenimiento.

Siempre que sea necesario utilizar un motor eléctrico, se debe procurar seleccionar un motor asincrónico tipo jaula de ardilla y si es trifásico mejor.

En la aplicación industrial las máquinas de inducción con rotor devanado no es muy frecuente, debido a que es posible una solución mucho más económica y práctica. El campo producido por las bobinas del estator produce fuerza electromotriz sobre cualquier conductor localizado en el rotor. En lugar de construir un bobinado similar al del estator, se pueden colocar barras conductoras en la periferia del rotor. Sobre estas barras, paralelas al eje de la máquina, se inducen fuerzas electromotrices por el campo magnético rotatorio producido en el estator. Si estas barras están cortocircuitadas en sus extremos mediante dos anillos conductores, circula corriente por las barras y se genera un campo magnético rotatorio en el rotor. La interacción entre los dos campos magnéticos rotatorios produce el par eléctrico.

El rotor de jaula de ardilla es muy simple desde el punto de vista constructivo, además es capaz de soportar esfuerzos eléctricos y mecánicos mucho mayores que el rotor devanado. En este rotor no es posible incluir resistencia adicional en serie con los conductores. Sin embargo, durante la construcción del rotor se puede variar el valor de la resistencia controlando el espesor de los anillos que cortocircuitan las barras.

La armadura de este tipo de motor consiste en tres bobinas fijas y es similar a la del motor síncrono. El elemento rotatorio consiste en un núcleo, en el que se incluye una serie de conductores que se parecen en su forma a las jaulas cilíndricas que se usaban para las ardillas.

Partes principales

1. Estator: Representa una de las partes del circuito magnético del motor, esta formado por paquetes de láminas de acero al silicio troquelados en forma de ranuras, con el objetivo de que el bobinado del estator pueda alojarse en dichas ranuras, las cuales varían en dependencia del tamaño o tipo del motor.

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2. Rotor : Estos pueden ser de dos tipos a. Rotor jaula de ardilla, fig.6. Está constituido por barras que se vacían sobre el rotor destinado para este fin. Por lo general las barras son de aluminio y al fundirse en el rotor, debido a la forma que se les da, quedan unidas entre sí en cortocircuito en la forma de una jaula de ardilla.

Fig. 6 Rotor jaula de ardilla

b. Rotor devanado, Fig.7. Se le llama así por que su bobina esta devanada en las ranuras. Está formado por paquetes de láminas troqueladas, montadas sobre la flecha o eje. Las bobinas se devanan sobre las ranuras y su arreglo depende del número de polos y de fases. La flecha es el elemento que proporciona la energía mecánica a la carga

Fig.7. Rotor devanado,

3. Carcaza o soporte : La carcaza recibe también el nombre de soporte por ser el elemento que contiene el estator y los elementos auxiliares del motor.

Auxiliares: Fig 8Los auxiliares del motor de inducción son elementos necesarios para el funcionamiento de éste y son: Tapas anterior y posterior, Chumaceras, Tornillos de sujeción, Caja de conexiones, base o soporte.

Fig. 8 Partes Principales y auxiliares

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Clase A El motor clase A es un motor de jaula de ardilla normal o estándar fabricado para uso a velocidad constante. Tiene grandes áreas de ranuras para una muy buena disipación de calor, y barras con ranuras ondas en el motor. Durante el periodo de arranque, la densidad de corriente es alta cerca de la superficie del rotor; durante el periodo de la marcha, la densidad se distribuye con uniformidad. Esta diferencia origina algo de alta resistencia y baja reactancia de arranque, con lo cuál se tiene un par de arranque entre 1.5 y 1.75 veces el nominal ( a plena carga). El par de arranque es relativamente alto y la baja resistencia del rotor producen una aceleración bastante rápida hacia la velocidad nominal. Tiene la mejor regulación de velocidad pero su corriente de arranque varía entre 5 y 7 veces la corriente nominal normal, haciéndolo menos deseable para arranque con línea, en especial en los tamaños grandes de corriente que sean indeseables.

Las designaciones Nema más comunes son:

Clase B Este motor tiene las siguientes características: par de arranque normal y baja corriente de arranque. Este motor es el más usado de los del tipo jaula de ardilla, ya que tiene un par de arranque y un par a rotor bloqueado, adecuados para el arranque de una gran variedad de máquinas industriales; toma una corriente aceptable a pleno voltaje.

Algunas de las aplicaciones generales de estos motores son: En máquinas herramientas, como son tornos, esmeriles, fresas, etc.

Para accionar ventiladores, en sopladores para extracción de humos en chimeneas de tiro forzado, extracción de gases, etc. Para accionar bombas centrífugas ( para bombear agua y líquidos más densos que el agua hasta de 10HP. Son capacidades adecuadas)

Para accionar prensas, trituradores, molinos de baja carga compresores de arranque sin carga, etc.

El deslizamiento a plena carga de estos motores varían entre 1.5 y 3%, los motores de más de 200HP pueden tener deslizamiento menores del 1%.

Clase C Estos motores tienen un rotor de doble jaula de ardilla, el cual desarrolla un alto par de arranque y una menor corriente de arranque.

Debido a su alto par de arranque, acelera rápidamente, sin embargo cuando se emplea en grandes cargas, se limita la disipación térmica del motor por que la mayor parte de la corriente se concentra en el devanado superior.

En condiciones de arranque frecuente, el rotor tiene tendencia a sobre calentarse se adecua mejor a grandes cargas repentinas pero de tipo de baja inercia. Algunas aplicaciones típicas de estos motores son:

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En compresores de movimiento alternativo (bajo condiciones de carga), elevadores, transporte de material, trituradores, pulverizadores, alimentadores al horno, de hornos, etc.

Estos motores generalmente se diseñan con un par a rotor bloqueado arriba de 200%, este par se refiere al par a plena carga, cuyo valor es menor al 195%. El deslizamiento a plena carga de estos motores varía de 1.5 a 3%.

Clase D Los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla clase D se conocen también como de alto par de arranque, baja corriente de arranque y alto deslizamiento.

Las barras del rotor se fabrican en aleación de alta resistencia y se colocan en ranuras cercanas a la superficie o están embebidas en ranuras de pequeño diámetro. La relación de resistencia a reactancia del rotor de arranque es mayor que en los motores de las clases anteriores.

Las máquinas impulsadoras para estos motores generalmente están provistas de un volante, que tiene una inercia considerable; en vacío, éstos operan con un deslizamiento muy pequeño que crece cuando se aplica la carga máxima considerablemente, permitiendo al sistema absorber la energía del volante. Cuando el motor opera con cargas no intermitentes, entonces no es necesario el uso del volante. Este tipo de motores se usa generalmente en punzadoras, bombas de movimiento alternativa, desmenuzadoras, etc

Clase F También conocidos como motores de doble jaula y bajo par. Están diseñados principalmente como motores de baja corriente, porque necesita la menor corriente de arranque de todas las clases. Tiene una alta resistencia del rotor tanto en su devanado de arranque como en el de marcha y tiende a aumentar la impedancia de arranque y de marcha, y a reducir la corriente de marcha y de arranque.

El rotor de clase F se diseño para remplazar al motor de clase B. El motor de clase F produce pares de arranque aproximadamente 1.25 veces el par nominal y bajas corrientes de arranque de 2 a 4 veces la nominal.

Los motores de esta clase se fabrican de la capacidad de 25 hp para servicio directo de la línea. Debido a la resistencia del rotor relativamente alta de arranque y de marcha, estos motores tienen menos regulación de voltaje que los de clase B, y en general son de baja

Principio de funcionamiento.

2.1Motor Asíncrono trifásico en conexión dos tenciones

Definición

Si se desea arrancar un motor trifásico con un interruptor estrella–triángulo a dos tensiones distintas o si las tensiones de las redes están en la relación en triángulo/tensión estrella, se emplean motores de tensiones conmutables. En ellos, cada fase esta dividida en la misma relación que las tensiones de alimentación.

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§ Con tensión de red de 220 V. Los motores en cuya placa de características se lee V=220/380 V.

§ Con tensión de red de 380 V

Los motores en cuya placa de características se lee V=380/660 V

Característica Para conectar motores en conexión Y-¨; éstos deben ser bifásicos como arriba se indica; ejemplo: 220/380 V y 127/220 V.

Otra de las características importantes es la cantidad de bornes de salida del motor trifásico, estos se podrán arrancar únicamente con seis puntas o múltiplo de seis, entre los más comunes se indican U – V— W como principios de fases, y X – Y – Z como los finales de fases.

En motores con potencias superiores a 30 ó 40 HP, se presentan tensiones inducidas que permanecen en el motor, aún después de que se ha realizado la desconexión estrella, y si se realiza inmediatamente la conexión triangulo, pueden presentarse en oposición de fase con la red y ser suficientemente altas, como para generar una violenta corriente transitoria.

Este inconveniente se elimina retardando un poco la conexión triángulo de 3 a 7 segundos.

Motor de polos conmutables En los motores trifásicos, variando el número de polos, se puede cambiar la velocidad de giro.

Los motores de este tipo son en general motores con rotor en jaula de ardilla; aunque en los motores de anillos rozantes el devanado rotórico debe ser conmutable.

Los motores de polos conmutables en ejecución normal, se suministran sólo para conexión directa Fig. 11, a cualquiera de las velocidades.

El devanado se realiza en conexión dahlander para dos velocidades de rotación, en la relación 1:2.

Se pueden utilizar distintos tipos de conmutar, como se muestra en la fig. 12

Fig. 11 Conexión directa

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Fig.12 Distintos tipos de conmutar

2.2. Motor Asincrónico trifásico de dos velocidades (Conexión Dahlander),

(Fig. 13)

Definición

Es un sistema especial para cambiar el número de polos, y tiene una gran importancia cuando se conmuta entre dos frecuencias de giro diferentes.

Principio de funcionamiento

El devanado estatórico se compone en este caso de seis bobinas que, según la posición del conmutador, se combinarán en serie o en paralelo, dando lugar a devanados con dos números de polos distintos.

El motor podrá tener dos frecuencias de giro diferentes que, sin embargo, siempre estarán en una relación de 1:2. A la frecuencia de giro baja, y por tanto con el número mayor de polos, el devanado del estator se encuentra conectado en triángulo, con dos bobinas en serie en cada una de las ramas. A la frecuencia de giro elevada, las bobinas se encuentran conectadas en paralelo dos a dos, y todo el devanado se encuentra conectado en estrella. Este circuito se denomina también; conexión en doble estrella.

Tipos de conexiones para el motor DAHLANDER

a) Conmutador y caja de bornes; b) Conexión de los devanados del estator

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3. Motor Asíncrono trifásico de AC. De inducción con rotor bobinado.

Definición

Los motores trifásicos más importantes son los asíncronos. Los diversos tipos de motores se caracterizan por las diferentes clases de rotores, dentro de los cuales se encuentra el motor de rotor bobinado o de anillos rozantes Fig. 14.

Motor de rotor bobinado o de anillos rozantes Fig. 14

Partes principales

El motor de inducción trifásico esta compuesto fundamentalmente de dos partes: el rotor y el estator. Fig 15

Estator Carcaza: es la estructura soporte del conjunto; de construcción robusta en hierro fundido, acero, o aluminio inyectado, resistente a la corrosión y presentan aletas.

Esas aletas sirven para eliminar el calor producido dentro del motor con la ayuda del ventilador.

Núcleo de chapas: las chapas son de acero magnético, tratadas térmicamente para reducir al mínimo las pérdidas en el hierro.

Bobinado Trifásico: son tres conjuntos de bobinas, una para cada fase, formando un

1. Motor Asíncrono trifásico conectado a la red monofásica......................................

Rotor Eje: transmite la potencia mecánica desarrollada por el motor. Es tratado Térmicamente para evitar problemas como deformación y fatiga.

Núcleo de chapas: estas chapas poseen las mismas características que el material del estator.

Barras y anillos de cortocircuito : son de aluminio fundidos a presión en una pieza única.

Otras partes del motor a inducción trifásico:

§ Tapas.

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§ Ventilador.

§ Protección del Ventilador.

§ Cajas de conexiones.

§ Placa de bornes.

§ Rodamientos o rulemanes.

Fig. 15 Partes principales

Lo que caracteriza al motor de inducción es que sólo el estator es conectado a la red de alimentación. El rotor no posee conexiones al exterior, como es el caso de los bobinados del estator y las corrientes que circulan en él, son inducidas electromagnéticamente por el estator, de donde surge el nombre de motor de inducción.

Los motores trifásicos no requieren de dispositivo adicional para el arranque, pues la secuencia de fases R-S-T de por sí ya genera un campo giratorio.

Principio de funcionamiento Como el motor en jaula de ardilla, tiene el inconveniente de que durante su funcionamiento no existe modo alguno de influir desde el exterior, sobre la corriente del circuito rotórico.

El motor rotor devanado cuenta con esta posibilidad, en un motor de rotor bobinado y anillos rozantes, en el que puede variarse la resistencia del circuito del rotor, conectando resistores adicionales, pues los extremos de los devanados del rotor son accesibles desde el exterior, a través de los anillos rozantes.

En este tipo de motores, la resistencia retórica permite determinar:

§ Su par de arranque § Su velocidad.

En efecto, la conexión permanente de una resistencia en bornes del rotor de un motor de anillos disminuye su velocidad, y tanto más cuanto más elevado sea el valor de esta resistencia. Es una solución sencilla para hacer variar su velocidad.

Ajuste de la velocidad por deslizamiento Estas resistencias rotóricas o «de deslizamiento» pueden cortocircuitarse en varios escalones para obtener o un ajuste discontinuo de la velocidad, o una aceleración progresiva